汽車底盤測功機的模擬原理分析研究

中北大學機械與動力工程學院 杜磊 董小瑞

引言

汽車底盤測功機是一種用來測試汽車動力性、多工況排放指標、燃油指標等性能的室內臺架試驗設備。汽車底盤測功機通過滾筒模擬路面，計算出道路模擬方程，并用加載裝置進行模擬，實現對汽車各工況的準確模擬。底盤測功機使用方便，性能可靠不受外界條件的影響。在不解體汽車的前提下，能夠準確快速地檢測出汽車各個系統、部件的使用性能。本文從測功機的結構和工作原理入手，將汽車在道路行駛阻力與在測功機上的行駛阻力進行等效模擬，為設計新型底盤測功機提供參考。

1 底盤測功機的結構

汽車底盤測功機，主要用于檢測汽車動力性、加速性等使用性能和技術性能，配備一系列輔助裝置，還能進行汽車科學試驗及維修檢測。其基本結構如圖1-1所示

2 汽車底盤測功機的基本原理

2.1 底盤測功機的功率轉化原理

底盤測功機是用滾筒模擬代替路面，汽車在正常勻速行駛時遇到的各種阻力通過加載裝置模擬。汽車在加速以及滑行時，所受阻力通過飛輪組的轉動慣量模擬。底盤測功機的轉矩和功率通過安裝在一個連接定子和測功機外殼的力臂上的力傳感器測得。汽車驅動滾筒，加載裝置通過定子對轉子施加制動力矩，同時，定子受到轉子的反作用力矩。此力矩被力傳感器測得并換算成驅動輪的轉矩和功率。

2.2 汽車底盤測功機輸出功率計算原理

汽車底盤輸出功率一般是用驅動輪的輸出功率表示。輸出功率是指汽車使用性能及安全性能好壞的重要參數。輸出功率大，汽車動力性強，發動機燃燒充分，燃油經濟性提高。下面來介紹一下檢驗測功機輸出功率的原理。

汽車驅動力輸出功率計算公式：

式中：

PC為驅動力輸出功率；

PI為汽車傳動系統損耗功率，一般通過傳動系統的傳遞效率進行估算；

PJ為驅動輪胎的打滑損耗功率，根據速度傳感器測出滾筒轉速來估算；

PS為測功機內部摩擦損失功率，滾筒與渦流機接觸，無相對運動，PS＝0；

PE為滾筒自身消耗功率，與電渦流機吸收功率相同。

只要測出PE就能測出輸出功率PC。

根據功率公式P＝T·n/9549，功率的大小可以通過測試出電渦流機的轉速和轉矩求得。我們知道，電渦流機輸入轉矩Tm與滾筒輸出轉矩TE相等，即：Tm=TE。電渦流機的轉矩等效方為：

式中：TM是電磁轉矩，單位是N.m；JdΩ/dt是慣性轉矩，單位是N.m。

如果滾筒勻角速度轉動，則JdΩ/dt=0，穩定狀態運行時的轉矩等效方程式為：TM=Tm。從公式可知,得到輸入轉矩Tm，即為滾筒輸出轉矩TE。根據電渦流機的原理，Tm與勵磁電流Ia成正比，即Tm=k·Ia。因此通過控制勵磁線圈的勵磁電流Ia求得電渦流機輸入轉矩和輸出功率PC。

3 汽車底盤測功機的等效模擬原理分析

3.1 汽車道路行駛阻力分析

汽車在水平道路上勻速行駛時，汽車驅動力除了要克服地面摩擦帶來的滾動阻力Ff和汽車與空氣摩擦帶來的空氣阻力Fw，還要克服汽車在上坡行駛時汽車自身重力分力（即坡度阻力Fi）。另外，汽車在加速過程中還要克服加速阻力Fj。圖3-1是汽車加速上坡的受力分析。

圖3-1汽車行駛阻力分析

因此，汽車行駛的阻力方程為：

其中，Ft為路面對汽車的反作用力；

如果不考慮坡度阻力Fi，為了跟底盤測功機受力方程等效，可將上述方程化簡成關于速度v的方程：

3.2 汽車驅動輪在底盤測功機滾筒上的阻力分析

汽車底盤測功機工作運行檢測時，驅動輪與滾筒滾動接觸，滾筒驅動車輪轉動，汽車前輪鎖死，無法滾動，以滾筒為參照物，汽車相當于在滾筒上行駛。

汽車在底盤測功機上檢測時，除了要受到電渦流機的加載力，還需要克服輪胎與滾筒的滾動摩擦力，系統的機械摩擦力和滾筒等旋轉部件帶來的慣性力矩。

汽車車輪在滾筒上滾動，在不滑動的前提下，驅動輪在滾筒上的受力分析如圖3-2所示。

圖3-2車輪在滾筒上的受力分析

水平方向和豎直方向受力平衡方程分別是：

式中：F1、F2為前后滾筒與車輪接觸點的切向反作用力；N1、N2為前后滾筒對驅動輪的法向支承力；Gk為車輛驅動軸分布在滾筒上的載荷；H為汽車車橋作用在車輪的水平力。

對上式進行化簡，得到驅動輪在滾筒上的滾動阻力：

式中：f為車輪與滾筒間的滾動阻力系數，與滾筒表面材料的摩擦度有關；α0為車輪在滾筒式臺架上的安置角，可根據需要設定合適的安置角。

在測功器工作加載時，汽車在底盤測功機上運行時所需克服的總阻力為：

3.3 底盤測功機電模擬模型

電模擬加載裝置之所以能很好地模擬出汽車道路行駛阻力，是因為模擬方程跟車輪速度及加速度成幾何函數關系，檢測數據方便準確，誤差小。只需測試出汽車的速度就可模擬汽車道路行駛。其結構簡單，體積較小，能實現無極調整，不僅測試精度有了很大提高，購買及維護成本也大大降低。目前國內的飛輪組測功機已經滿足不了市場的需求，鑒于此，功能齊全且能夠模擬加速、滑行阻力的電模擬加載裝置成為本文研究課題的首選。

底盤測功機模擬原理就是將道路行駛阻力式（3）與底盤測功機上的行駛阻力式（7）等效，如式（8）：

式(10)為底盤測功機動力學基本模型方程。由上式可見，選定汽車在無風狀態下進行測試時，驅動力FR是與速度和加速度相關的方程。將同類項合并，模型方程可簡化為：

式中：FR為電渦流機的驅動力，即加載到汽車的模擬阻力；v為轉鼓表面速度；A為恒定阻力系數(摩擦力)，是個常數，單位為N；B為速度相關系數，單位為N/km/h；C為依賴于速度平方的阻力系數(風阻)；m為整車額定質量；Mw2為汽車旋轉等效質量；MR為滾筒旋轉等效質量；α為坡度角；Fm為測功機機械總摩擦阻力。

由上述分析可知：汽車在底盤測功機上檢測時，系數A、B、C可以通過系統空載試驗測得，電模擬加載力FR主要是由汽車行駛時的速度和加速度決定。計算機根據檢測出來的速度和加速度以及按要求設置的坡度角α，運算出加載阻力。渦流機根據加載阻力進行加載控制，完成汽車在道路滑行阻力的模擬。式中包含了慣性質量和行駛阻力，原理上能得到滿意的測試結果。

4 總結

本文首先介紹底盤測功機的機械結構并分析其基本工作原理，進而分析了汽車在汽車底盤測功機上檢測時的功率測量原理,為底盤測功機電路設計奠定了理論基礎。最后將汽車在道路上受力方程與汽車在底盤測功機上的受力方程等效結合，推導出新的電模擬底盤測功機功率的計算方法，證明了等效模擬的可行性，為設計新型底盤測功機提供了參考。

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